基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略研究

王立峰 王秀強(qiáng) 吳貝貝 從田增 蘇明濤 衣金水

摘要：

近年來，國際對于環(huán)境污染管控越來越嚴(yán)格。為了降低船舶造成的環(huán)境污染，國際海事組織制訂了船舶航行的排放法規(guī)，對于NOx的排放限值愈加嚴(yán)格。在此背景下，船舶應(yīng)用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)無論是在控制污染物排放方面還是在控制運(yùn)營成本的角度來說都有巨大的發(fā)展前景。本文以船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，對基于硬件在環(huán)和虛擬雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的控制策略進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：

硬件在環(huán)仿真;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);控制策略

中圖分類號：

U664.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0049-01

隨著國際環(huán)境污染的趨勢愈發(fā)嚴(yán)峻，船舶作為一種重要的交通工具，也是交通污染的重要污染源之一。對此，很多國家也開始研究該如何降低船舶污染。有研究表明，使用天然氣作為清潔燃料，以電控單體泵為基礎(chǔ)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，NOx和CO2排放量均得到了大大的降低。對此，需要相關(guān)企業(yè)及研究人員對其控制策略進(jìn)行進(jìn)一步的鉆研與探索，以進(jìn)一步促進(jìn)基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在我國船舶中的應(yīng)用及發(fā)展。

1對于啟動(dòng)及停車的控制

1.1啟動(dòng)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)前需判斷各部分是否滿足啟動(dòng)條件，檢測的內(nèi)容包括：啟動(dòng)鎖定、燃?xì)馐欠裥孤丁㈩A(yù)供滑油壓力、停車或緊急停車信號有效等。壓縮空氣按照雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火順序在膨脹行程充入氣缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)若達(dá)到最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)自行發(fā)火則繼續(xù)啟動(dòng)流程;否則，發(fā)出啟動(dòng)失敗的報(bào)警信號。主燃油噴射系統(tǒng)及共軌微引燃噴射系統(tǒng)均開始噴油后，需要確保天然氣供給系統(tǒng)關(guān)閉，并檢測天然氣壓力、溫度等參數(shù)是否正常。

1.2停車。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)接收到正常停車信號后，系統(tǒng)減少燃料供應(yīng)，轉(zhuǎn)速降低至怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)空載，控制器發(fā)出信號切斷全部燃料供應(yīng);接收到緊急故障停車信號后，控制器立即停止全部燃料噴射及供應(yīng)，轉(zhuǎn)速逐漸降低至0。

2雙燃料模式切換控制

2.1柴油至燃?xì)饽Ｊ角袚Q條件。當(dāng)船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在柴油模式時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由電控單元LCECU06DA直接控制。系統(tǒng)由柴油模式切換至燃?xì)饽Ｊ降那疤釛l件是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在（472+△n）r/min（約25%負(fù)荷）的時(shí)間超過20s，若轉(zhuǎn)速在指定時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)超過這個(gè)范圍則認(rèn)為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定狀態(tài)，不能進(jìn)行模式切換，需要繼續(xù)等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

2.2柴油切換至燃?xì)夤ぷ髂Ｊ健ｋp燃料發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)為柴油模式，缸內(nèi)燃料為純柴油。當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)滿足模式切換條件時(shí)，電控單元LCECU06DB手動(dòng)產(chǎn)生柴油模式切換至燃?xì)饽Ｊ降那袚Q信號DToG，計(jì)時(shí)器Timer1開始計(jì)時(shí)T1，燃?xì)饬繌?開始逐漸增加，并與Timer1呈線性關(guān)系。此時(shí)，由于電控單元LCECU06DA的作用，在等待約10個(gè)工作循環(huán)即T1=3s之后柴油量逐漸減少至設(shè)定值X。在此過程中，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在切換開始的轉(zhuǎn)速472r/min左右。控制器根據(jù)齒條位置信號檢測到柴油量設(shè)定值X時(shí)，系統(tǒng)生成柴油停噴信號Enable，天然氣量的輸出保持恒定，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由電控單元LCECU06DB完全控制，此時(shí)標(biāo)志柴油至燃?xì)饽Ｊ角袚Q完成。

2.3燃?xì)馇袚Q至柴油工作模式。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，缸內(nèi)燃料除了微量的柴油用作引燃之外，其它均為天然氣。當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷減小至25%負(fù)荷以下時(shí)，電控單元LCECU06DB自動(dòng)產(chǎn)生切換信號GToD;當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)遇到故障或其他特定情況時(shí)，電控單元LCECU06DB手動(dòng)產(chǎn)生切換信號GToD。系統(tǒng)檢測到切換信號GToD后，需從燃?xì)饽Ｊ角袚Q至柴油模式，計(jì)時(shí)器Timer2開始計(jì)時(shí)T2，燃?xì)饬繌漠?dāng)前值開始逐漸減少至0，并與Timer2呈線性關(guān)系。此時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)再次受電控單元LCECU06DA控制，柴油量從設(shè)定值X逐漸增加至燃?xì)饬繛?，并使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)維持在當(dāng)前轉(zhuǎn)速，標(biāo)志燃?xì)庵敛裼湍Ｊ角袚Q完成。

3燃?xì)鈬娚淇刂?/p>

燃?xì)鈬娚涞目刂浦饕ㄈ齻€(gè)部分，即噴射正時(shí)、噴射脈寬和噴射壓力。噴射正時(shí)即噴射提前角，表征發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工作循環(huán)中燃料起始噴射的時(shí)刻，一般以壓縮上止點(diǎn)為基準(zhǔn);噴射脈寬和噴射壓力是相對于每循環(huán)燃料的噴射量而言的，這些對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響很大。

對于船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)型船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來說，噴射部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為燃?xì)鈬娚溟yLCQ2D20H50，根據(jù)該型閥的技術(shù)資料可查，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)氣溫度、燃?xì)鈬娚溟y前后壓差可確定，燃?xì)鈬娚溟y全開后天然氣的質(zhì)量流量即可計(jì)算出來。當(dāng)燃?xì)赓|(zhì)量流量確定后，可根據(jù)每循環(huán)燃?xì)饬坑?jì)算出天然氣的噴射脈寬，轉(zhuǎn)化為該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)，最后能估算出該工況下的噴射提前角大致范圍。為了更好的減小計(jì)算值與實(shí)際值的偏差，在實(shí)際的應(yīng)用中，各工況下的噴射提前角及噴射脈寬會通過臺架試驗(yàn)標(biāo)定獲得，并以MAP的形式存儲在控制器內(nèi)部。噴射脈寬MAP的輸入為燃?xì)鈬娚鋲翰钆c每循環(huán)燃?xì)饬浚敵黾礊樵摴ぷ餮h(huán)噴射脈寬的基礎(chǔ)值，燃?xì)鉁囟茸鳛樾拚蛩刂?噴射提前角MAP的輸入為每循環(huán)燃?xì)饬亢碗p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出即為該工作循環(huán)噴射提前角的基礎(chǔ)值，燃?xì)鉁囟茸鳛樾拚蛩刂弧?/p>

4總結(jié)

基于硬件在環(huán)仿真平臺的船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是驗(yàn)證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型和控制策略開發(fā)的必要環(huán)節(jié)，研究基于硬件在環(huán)的船的啟動(dòng)停車、雙燃料模式切換以及燃?xì)鈬娚淇刂撇呗跃哂兄匾睦碚撘饬x和工程應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳悅.基于硬件在環(huán)的船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略研究[D].武漢理工大學(xué)，2016.